USB的便攜式ARINC429總線通信設(shè)備設(shè)計(jì)

摘要：基于Actel公司的ProASIC3系列FPGA和Silicon Labs公司的C8051F340單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種便攜式ARINC429總線通信設(shè)備，著重介紹了整體設(shè)計(jì)思想以及軟硬件設(shè)計(jì)方法。該設(shè)備具有性能可靠、攜帶方便、成本低廉等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于對(duì)各種以ARINC429總線作為通信方式的機(jī)載設(shè)備的通信測(cè)試及地面檢測(cè)維護(hù)。
關(guān)鍵詞：FPGA；USB；ARINC429；通信測(cè)試；C8051F340；ProASIC3

    在航空電子綜合化系統(tǒng)中，快速、有效的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)整個(gè)航空電子系統(tǒng)的性能有很大影響，因此數(shù)據(jù)總線被稱為現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)的“骨架”。ARINC429是航空電子系統(tǒng)之間最常用的通信總線之一。要在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)與機(jī)載設(shè)備的ARINC429總線數(shù)據(jù)通信，必須實(shí)現(xiàn)429總線與計(jì)算機(jī)總線之間的數(shù)據(jù)傳輸。本文設(shè)計(jì)了基于USB總線的便攜式ARINC429總線通信設(shè)備，并通過(guò)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，對(duì)該設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)功能分析
    該系統(tǒng)主要分為3大功能單元：中央控制單元、429數(shù)據(jù)收發(fā)單元、429電平轉(zhuǎn)換單元。系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。中央控制單元與PC機(jī)進(jìn)行USB通信，將USB總線轉(zhuǎn)換為自定義總線，并根據(jù)PC機(jī)發(fā)來(lái)的任務(wù)指 令，通過(guò)自定義總線(數(shù)據(jù)線、地址線、控制線)控制429數(shù)據(jù)收發(fā)單元完成相應(yīng)的429總線數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)。

1．2 主要器件選擇
1．2．1 中央控制單元
    中央控制單元負(fù)責(zé)與PC機(jī)進(jìn)行USB通信，并控制429數(shù)據(jù)收發(fā)單元完成通信工作。該單元采用SiliconLabs公司推出的C8051F340單片機(jī)。它是完全集成的混合信號(hào)SoC級(jí)MCU芯片，片內(nèi)集成有1個(gè)采樣率為200Ksps的10位ADC、1個(gè)可編程增益放大器、2個(gè)電壓比較器、1個(gè)電壓基準(zhǔn)、1個(gè)具有5個(gè)捕捉／比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器／定時(shí)器陣列(PCA)、5個(gè)通用的16位定時(shí)器、40個(gè)通用數(shù)字I／O端口，以及1個(gè)片上64 KB的Flash存儲(chǔ)器和4 KB的RAM，支持多種總線通信接口(I2C／SMBus、SPI、UART、USB)。C8051F340的最大指令處理速度為48 MIPS，具有片內(nèi)VDD監(jiān)視器、WDT和時(shí)鐘振蕩器，能有效地管理模擬和數(shù)字外設(shè)。
    C8051F340最大的優(yōu)勢(shì)是在片內(nèi)集成了一個(gè)USB總線控制器，與USB2．O完全兼容，支持低速和全速兩種模式。這樣，在硬件上只需一片C28051F340就能與PC機(jī)直接進(jìn)行USB通信，無(wú)需外加USB接口芯片。
1．2．2 429數(shù)據(jù)收發(fā)單元
    目前市面上的429通信專用芯片(如HS-3282、DEI1016、HI-8585)只能實(shí)現(xiàn)1路發(fā)送或接收，要滿足本設(shè)計(jì)需求就需要8組429通信專用芯片(共計(jì)16片)。無(wú)論從成本上，還是從設(shè)計(jì)本身的可行性、可靠性來(lái)考慮，都是難以實(shí)現(xiàn)的。本文采用Actel公司的ProASIC3型FPGA，將設(shè)備的核心部分——429通信協(xié)議模塊在FPGA中實(shí)現(xiàn)。這樣使整體設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔，充分體現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)和SoC設(shè)計(jì)思想，同時(shí)大大降低了設(shè)計(jì)成本。
    Actel公司的ProASIC3型FPGA采用獨(dú)一無(wú)二的Flash架構(gòu)。與基于SRAM架構(gòu)的FPGA不同，它掉電后數(shù)據(jù)不易失，無(wú)需配置芯片，從而實(shí)現(xiàn)了真正意義上的單芯片設(shè)計(jì)思想。同時(shí)，它支持FlashLock、AES加密技術(shù)，安全性強(qiáng)；最高支持350 MHz單端翻轉(zhuǎn)率和700 MHz的差分信號(hào)；支持19種I／O電平標(biāo)準(zhǔn)。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 C8051F340接口設(shè)計(jì)
    C8051F340作為設(shè)備的中央控制單元，其外圍接口主要分為兩部分：與PC機(jī)的USB通信接口和與ProASIC3的自定義總線接口。C8051F340的外圍接口電路如圖2所示。

    由于C8051F340片內(nèi)集成了一個(gè)USB總線控制器，因此它與上位機(jī)的USB通信直接通過(guò)D+和D-兩個(gè)差分信號(hào)引腳完成的，接口非常簡(jiǎn)單。C-8051F340與Pr0ASIC3之間的通信通過(guò)C8051F340的8位數(shù)據(jù)線、16位地址線，以及讀()、寫(xiě)()、復(fù)位(RESET)3個(gè)控制信號(hào)來(lái)完成。
    C8051F340與ProASIC3均采用USB總線供電，C8051F340采用3．3 V供電，而ProASIC3采用3．3 V和1．5 V供電。由于USB總線提供的是5 V電源，因此在本設(shè)計(jì)中采用了美國(guó)NS公司的電源穩(wěn)壓芯片LMlll7。該芯片根據(jù)電壓輸出的不同分為不同的型號(hào)，這里選用了1．5 V和3．3 V兩種型號(hào)。
2．2 429電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
2．2．1 429發(fā)送通道電平轉(zhuǎn)換電路
    429發(fā)送通道電平轉(zhuǎn)換電路的功能是將ProASIC3產(chǎn)生的CMOS電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為429電平信號(hào)。目前有幾家公司專門(mén)從事429通信芯片的生產(chǎn)，其中也包括429發(fā)送通道電平轉(zhuǎn)換芯片。采用這種專用芯片的優(yōu)點(diǎn)是接口電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是芯片價(jià)格昂貴。本設(shè)計(jì)的需求為8路發(fā)送通道，從成本上考慮，不易采用專用芯片，而是利用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)發(fā)送通道的電平轉(zhuǎn)換電路。圖3為429發(fā)送通道電平轉(zhuǎn)換電路。圖中的A和B是由ProASIC3產(chǎn)生的信號(hào)，TXA和TXB是經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路調(diào)理后形成的ARINC429信號(hào)。表1為429發(fā)送通道電平轉(zhuǎn)換電路的功能表。

    該電路設(shè)計(jì)采用了Linear公司的雙運(yùn)放集成芯片LTl497。該芯片的最大特點(diǎn)為輸出功率大，最大輸出電流為±125 mA，完全滿足ARIN-C429通信標(biāo)準(zhǔn)的功率要求。采用NI公司的MultisimlO進(jìn)行電路仿真，并實(shí)際運(yùn)行測(cè)試。測(cè)試表明，仿真結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果一致，完全符合ARINC429通信標(biāo)準(zhǔn)要求。
2．2．2 429接收通道電平轉(zhuǎn)換電路
    429接收通道電平轉(zhuǎn)換電路的功能與429發(fā)送通道電平轉(zhuǎn)換電路的功能完全相反，它是將429電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為CMOS電平信號(hào)，以便讓ProA-SIC3對(duì)其進(jìn)行處理。接收通道的電平轉(zhuǎn)換采用HOLT公司的HI-8448實(shí)現(xiàn)。HI-8448為8路429接收芯片，可負(fù)責(zé)8路429接收通道的電平轉(zhuǎn)換。

3 軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件程序主要由ProASIC3內(nèi)核、C8051F340固件程序和上位機(jī)控制界面程序3部分組成。
3．1 ProASIC3內(nèi)核設(shè)計(jì)
    ProASIC3內(nèi)核開(kāi)發(fā)是在Amel公司提供的LiberoIDE 8．5集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下完成的。該環(huán)境集成了目前業(yè)界最權(quán)威的幾大FPGA開(kāi)發(fā)軟件，其中綜合工具采用了Synplify公司的Synthesis 9．6A工具，仿真工具采用MentorGraphic公司的Modelsim 6．4A軟件。整個(gè)設(shè)計(jì)采用Verilog語(yǔ)言編程。ProASIC3內(nèi)核的總體框架設(shè)計(jì)如圖4所示。ProASIC3內(nèi)核設(shè)計(jì)包括收發(fā)控制器、發(fā)送FIFO、接收FIFO、發(fā)送邏輯轉(zhuǎn)換模塊、接收邏輯轉(zhuǎn)換模塊、時(shí)鐘發(fā)生器模塊。收發(fā)控制器負(fù)責(zé)與C8051F340進(jìn)行總線通信，協(xié)調(diào)ProASIC3內(nèi)部各個(gè)模塊之間的工作；發(fā)送FIFO用于緩存待發(fā)送的429數(shù)據(jù)；接收FIFO用于緩存待讀取的429數(shù)據(jù)；發(fā)送邏輯轉(zhuǎn)換模塊是將發(fā)送FIFO送來(lái)的并行數(shù)據(jù)組合為429串行數(shù)據(jù)，然后通過(guò)端口TXA、TXB發(fā)送出去；接收邏輯轉(zhuǎn)換模塊是將收到的429串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，然后通過(guò)8位數(shù)據(jù)線傳給接收FIFO；時(shí)鐘發(fā)生器是用于產(chǎn)生各個(gè)模塊所需的工作時(shí)鐘。

3．2 C8051F340固件程序設(shè)計(jì)
    C8051F340固件程序的開(kāi)發(fā)是在Silicon Labs公司的C8051Fxxx IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下完成的，采用C語(yǔ)言編程。Silicon Labs公司專為USB開(kāi)發(fā)推出了USBXpress工具，USBXpress將單片機(jī)固件程序和上位機(jī)應(yīng)用程序所需的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù)進(jìn)行了封裝，開(kāi)發(fā)人員只需調(diào)用相關(guān)函數(shù)即可。圖5為C8051F340固件程序的流程。其中，USB_clock_Start()、USB_Init()、USB_Int_Enable()均由USBXpress工具提供，可直接調(diào)用。

3．3 上位機(jī)控制界面程序
    上位機(jī)控制界面程序的開(kāi)發(fā)在VC 6．O環(huán)境下完成。作為人機(jī)交互界面，其基本功能有：對(duì)設(shè)備進(jìn)行復(fù)位；與設(shè)備進(jìn)行USB通信；設(shè)置429通信的波特率、校驗(yàn)方式、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)送方式(手動(dòng)或定時(shí))；設(shè)置定時(shí)發(fā)送時(shí)間；顯示接收數(shù)據(jù)。
    在上位機(jī)控制界面程序中，與設(shè)備間的USB通信是通過(guò)調(diào)用USBXpress工具提供的API函數(shù)完成的。USBXpress工具提供了10個(gè)API函數(shù)，其中最重要的就是SI_Write()和SI_Read()兩個(gè)函數(shù)，它們分別實(shí)現(xiàn)寫(xiě)USB總線操作和讀USB總線操作。

4 結(jié)論
    目前，該設(shè)備已投入某型機(jī)載設(shè)備的地面內(nèi)場(chǎng)檢測(cè)維護(hù)工作中。本文利用Silicon Labs公司的C8051F340單片機(jī)和Actel公司的ProASIC3系列FPGA設(shè)計(jì)的基于USB的便攜式ARINC429總線通信設(shè)備，在地面內(nèi)場(chǎng)檢測(cè)維護(hù)工作中，工作狀態(tài)穩(wěn)定，性能可靠，很好地滿足了預(yù)先的設(shè)計(jì)要求。